FR2982618A1 - METHOD FOR MANUFACTURING TITANIUM ALLOY FOR BIOMEDICAL DEVICES - Google Patents

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Abstract

Procédé de fabrication d'un alliage à base de titane à propriétés super élastique et/ ou à mémoire de forme pour application biomédicale, comportant les phases de : - préparation d'un lingot par fusion sous vide des différents métaux constitutifs de l'alliage souhaité ; - optionnellement homogénéisation sous vide du lingot par recuit à haute température (supérieure à 900°C) ; - première trempe ; - mise en forme mécanique (laminage, tréfilage, usinage, ou équivalent) ; - traitement thermique de remise en solution en phase beta au delà de la température du transus beta (jusqu'à une seconde température puis maintien à celle-ci pour une certaine durée) ; - seconde trempe ; caractérisé en ce que ladite phase de traitement thermique est réalisée sous atmosphère gazeuse, et constitue également un traitement de surface apte à former en surface, une couche de nitrure, carbonitrure, oxyde, oxynitrure, ou équivalent.A process for producing a titanium alloy with super elastic properties and / or shape memory for biomedical application, comprising the phases of: - preparation of an ingot by vacuum melting the various constituent metals of the desired alloy ; - optionally vacuum homogenization of the ingot by annealing at high temperature (above 900 ° C); - first quenching; - mechanical shaping (rolling, drawing, machining, or equivalent); - Thermal treatment of beta solution remelting beyond the temperature of the beta transus (up to a second temperature and then maintaining it for a certain duration); - second quenching; characterized in that said heat treatment phase is carried out under gaseous atmosphere, and also constitutes a surface treatment capable of forming on the surface, a layer of nitride, carbonitride, oxide, oxynitride, or equivalent.

Description

PROCEDE DE FABRICATION D'UN ALLIAGE A BASE DE TITANE POUR DISPOSITIFS BIOMEDICAUX La présente invention concerne un procédé pour fabriquer un alliage à base de titane, présentant des propriétés super élastique et/ou à mémoire de forme, et destiné à constituer des dispositifs utilisés dans le domaine biomédical, tel que par exemple des limes endodontiques, des arcs, fils et autres ressorts orthodontiques, des implants dentaires, des stents cardiovasculaires ou pulmonaires, des fils guide et des cathéters pour la chirurgie cardiovasculaire, des agrafes et prothèses d'articulation pour la chirurgie orthopédique. L'invention concerne également un alliage obtenu par le procédé, et également les dispositifs biomédicaux incorporant un tel alliage. The present invention relates to a process for producing a titanium-based alloy having super-elastic and / or shape-memory properties, and intended to constitute devices used in the manufacture of a titanium-based alloy. the biomedical field, such as, for example, endodontic files, bows, wires and other orthodontic springs, dental implants, cardiovascular or pulmonary stents, guidewires and catheters for cardiovascular surgery, staples and joint prostheses for orthopedic surgery. The invention also relates to an alloy obtained by the method, and also to biomedical devices incorporating such an alloy.

Dans le domaine biomédical, les dispositifs et éléments, tels que ceux mentionnés ci-dessus à titre d'exemple, doivent présenter des caractéristiques très différentes, d'une part sur le plan mécanique compte tenu de l'objectif visé consistant à agir sur une partie du corps humain (telle qu'une dent, par exemple dans le cadre d'une application orthodontique), et d'autre part sur le plan biologique, pour éviter, ou atténuer au maximum, les réactions ou conséquences liées au contact du dispositif avec la partie du corps humain ou l'organe. In the biomedical field, devices and elements, such as those mentioned above by way of example, must have very different characteristics, on the one hand from the mechanical point of view given the objective of acting on a part of the human body (such as a tooth, for example in the context of an orthodontic application), and secondly on the biological level, to avoid, or minimize as much as possible, the reactions or consequences related to the contact of the device with the part of the human body or the organ.

Parmi les caractéristiques techniques recherchées, voire nécessaires, on peut citer : un domaine d'élasticité recouvrable le plus large possible (propriété de super élasticité), une faible rigidité, une excellente biocompatibilité chimique, une grande résistance à la corrosion et aux produits de stérilisation, une facilité d'usinage et de travail à froid, ainsi 2 9826 18 2 qu'une augmentation de la dureté et de la résistance à l'usure superficielle. De manière connue, on a tenté de concilier ces contraintes qui sont 5 globalement contradictoires les unes avec les autres. Les alliages super élastiques et/ou à mémoire de forme actuellement utilisés dans le domaine biomédical sont du type titane-nickel. 10 Néanmoins, on sait que le nickel est allergisant pour l'organisme et peut provoquer des réactions inflammatoires, malgré l'intérêt qu'il présente pour ses propriétés mécaniques, notamment de super élasticité et/ou de mémoire de forme. Par ailleurs, les alliages Ti-Ni possèdent une usinabilité médiocre qui engendre des ruptures prématurées des limes 15 endodontiques (voir par exemple : Oiknine M., Benizri J., REV. ODONT. STOMATO. 36 (2007) 109-123) et sont parfois difficile à mettre en forme à froid. Ces alliages connus présentent un caractère super élastique par la 20 déstabilisation sous contrainte de la phase beta mère (cubique) par transformation en une phase martensitique alpha" (orthorhombique) réversible (Kim H.Y., Ikehara Y., et al, ACTA MATERIALIA 54 (2006) 2419-2429). 25 En outre, on connait des alliages à base de titane sans nickel (appelés « Gum Metals », Saito T., Furuta T. et al, SCIENCE 300 (2003) 464-467) qui sont considérés comme étant super élastiques car, bien que ne présentant pas de transformation martensitique sous contraintes, ils possèdent une faible rigidité et une élasticité recouvrable très importante.30 Par ailleurs, on connait par le brevet français 2 848 810, par la demande de brevet US 2007/0137742 et par la demande de brevet WO 2005/093109 des alliages à base de titane et sans nickel. Among the desired technical characteristics, even necessary, we can mention: a field of elasticity recoverable the widest possible (property of super elasticity), low stiffness, excellent chemical biocompatibility, high resistance to corrosion and sterilization products ease of machining and cold working, as well as an increase in hardness and resistance to surface wear. In known manner, attempts have been made to reconcile these constraints which are globally contradictory with each other. The superelastic and / or shape memory alloys currently used in the biomedical field are of the titanium-nickel type. Nevertheless, it is known that nickel is allergenic for the body and can cause inflammatory reactions, despite the interest it has for its mechanical properties, in particular super elasticity and / or shape memory. Ti-Ni alloys, on the other hand, have poor machinability and lead to premature rupture of the endodontic files (see, for example, Oiknine M., Benizri J., REV ODONT, STOMATO, 36 (2007) 109-123). sometimes difficult to get in cold form. These known alloys have a superelastic character by the stress destabilization of the parent (cubic) beta phase by transformation into a reversible alpha "(orthorhombic) martensitic phase (Kim HY, Ikehara Y., et al., ACTA MATERIALIA 54 (2006)). In addition, there are known nickel-free titanium-based alloys (referred to as "Gum Metals", Saito T., Furuta T. et al., SCIENCE 300 (2003) 464-467) which are considered being super elastic because, although they do not have martensitic transformation under stress, they have a low stiffness and a very considerable recoverable elasticity. Furthermore, it is known from French patent 2,848,810, by the US patent application 2007 / 0137742 and the patent application WO 2005/093109 alloys based on titanium and nickel-free.

Néanmoins, les alliages proposés dans cet art antérieur ne répondent pas de façon globalement satisfaisante à l'ensemble des critères requis, à la fois sur le plan mécanique et de la biocompatibilité notamment en surface. Par exemple, au regard de la compatibilité biologique, le brevet français ci-dessus propose un traitement de surface de l'alliage par dépôt de nitrure, et ce par une technique à base de plasma. Cependant, cette technique connue n'est pas satisfaisante. En effet, le dépôt à l'aide de plasma ne permet pas un dépôt d'une couche de nitrure uniforme. Ceci a des conséquences dommageables ou gênantes dans le cas de dispositifs ou d'éléments présentant des formes particulières ou des parties ou zones difficilement accessibles (telles que des concavités ou similaires). Nevertheless, the alloys proposed in this prior art do not respond globally satisfactorily to all the required criteria, both mechanically and biocompatibility, especially at the surface. For example, in terms of biological compatibility, the above-mentioned French patent proposes a surface treatment of the alloy by nitride deposition, and this by a plasma-based technique. However, this known technique is not satisfactory. Indeed, the deposition using plasma does not allow a deposit of a uniform nitride layer. This has damaging or annoying consequences in the case of devices or elements having particular shapes or parts or areas difficult to access (such as concavities or the like).

En outre, ledit brevet français décrit un procédé qui ne s'applique pas à un alliage à mémoire de forme et/ou super élastique. Si la plupart des alliages sont donc à base de titane et de nickel, il a été proposé récemment des alliages super élastiques à base de titane sans nickel et particulièrement bien déformable à froid. L'article publié dans la revue JOURNAL OF THE MECHANICAL BEHAVIOR OF BIOMEDICAL MATERIALS 3 (2010) 559-564, par Bertrand E., Gloriant T. et al « Synthesis and characterisation of a new superelastic Ti-25Ta-25Nb biomedical alloy » montre de tels alliages à base de titane sans nickel.30 Ainsi, le procédé de l'invention permet de résoudre les problèmes de l'art antérieur, en proposant de réaliser un alliage à base de titane, pour des applications biomédicales, à propriétés super élastiques et/ou à mémoire de forme, traité en surface, et qui répond à l'ensemble des conditions requises sur le plan mécanique, exprimées ci-dessus, et en outre qui est amélioré par rapport à l'art antérieur, au regard de la dureté superficielle, de la facilité d'usinage et du travail à froid, également de résistance à la stérilisation, tout en étant en outre parfaitement biocompatible. In addition, said French patent describes a method that does not apply to a shape memory alloy and / or super elastic. While most alloys are based on titanium and nickel, it has recently been proposed superelastic alloys based on nickel-free titanium and particularly well cold-deformable. The article published in the journal JOURNAL OF THE MECHANICAL BEHAVIOR OF BIOMEDICAL MATERIALS 3 (2010) 559-564, by Bertrand E., Gloriant T. et al "Synthesis and characterization of a new superelastic Ti-25Ta-25Nb biomedical alloy" shows Thus, the process of the invention makes it possible to solve the problems of the prior art by proposing to produce a titanium-based alloy for biomedical applications with super-elastic properties. and / or shape memory, surface-treated, and which meets all the mechanical requirements, expressed above, and further which is improved with respect to the prior art, with regard to the superficial hardness, ease of machining and cold working, also resistance to sterilization, while being perfectly biocompatible.

A cette fin, selon l'invention, le procédé de fabrication d'un alliage à base de titane à propriétés super élastiques et/ ou à mémoire de forme destiné à la fabrication d'un dispositif pour application biomédicale, du type comportant : - une phase de préparation par fusion sous vide des différents métaux constitutifs de l'alliage souhaité, pour réaliser une masse telle que sous forme d'un lingot; - une phase optionnelle d'homogénéisation sous vide du lingot par recuit à une première température (supérieure à 900°C) consistant en une montée en température du lingot, puis maintien à cette température pendant une durée permettant l'homogénéisation complète ; - une phase de première trempe ; - une phase de mise en forme mécanique du lingot en une forme finale correspondant au dispositif à fabriquer (la mise enforme étant faite par laminage, tréfilage, usinage, ou équivalent) ; - une phase de traitement thermique de remise en solution en phase beta au delà du transus beta consistant en une montée en température jusqu'à une seconde température désirée, d'un maintien à cette température pour une certaine durée ; - une phase de seconde trempe ; caractérisé en ce que ladite phase de traitement thermique est réalisée sous atmosphère gazeuse, et constitue également une opération de traitement de surface par réaction avec ledit gaz, de manière à former de manière homogène en surface, une couche de nitrure, carbonitrure, oxyde, oxynitrure, ou équivalent. Le lingot obtenu en première étape présente une masse variant de quelques dizaines à quelques centaines de grammes permettant de réaliser le dispositif biomédical. To this end, according to the invention, the process for manufacturing a titanium alloy with super elastic properties and / or shape memory for the manufacture of a device for biomedical application, of the type comprising: - a vacuum melting preparation phase of the various constituent metals of the desired alloy, to achieve a mass such as in the form of an ingot; an optional vacuum homogenization phase of the ingot by annealing at a first temperature (greater than 900 ° C.) consisting of a rise in temperature of the ingot, and then maintaining at this temperature for a time allowing complete homogenization; - a phase of first tempering; a phase of mechanical shaping of the ingot into a final shape corresponding to the device to be manufactured (the forming being done by rolling, drawing, machining, or the like); a phase of heat treatment for redissolving in the beta phase beyond the beta transuscent consisting of a rise in temperature to a second desired temperature, of a maintenance at this temperature for a certain duration; a phase of second quenching; characterized in that said heat treatment phase is carried out under gaseous atmosphere, and also constitutes a surface treatment operation by reaction with said gas, so as to form homogeneously at the surface, a layer of nitride, carbonitride, oxide, oxynitride , or equivalent. The ingot obtained in the first step has a mass ranging from a few tens to a few hundred grams to realize the biomedical device.

Avantageusement, ledit gaz est de l'azote. Ainsi, le procédé de l'invention introduit une étape de traitement de surface (par nitruration en phase gazeuse) en vue d'améliorer les propriétés mécaniques et de biocompatibilité superficielle de l'alliage. Lors de l'étape de nitruration, on a veillé à un installer le lingot mis en forme dans une enceinte et tel que son agencement permette le dépôt de la couche en phase gazeuse sur la totalité de sa surface, y compris dans les concavités du lingot mis en forme. Pour ce faire, le lingot est suspendu par une chainette au coeur de l'enceinte constituant le four. Les première et seconde trempes ont pour objectif de retenir la phase beta à température ambiante, pour obtenir l'effet super élastique désiré. Advantageously, said gas is nitrogen. Thus, the process of the invention introduces a surface treatment step (by gas phase nitriding) in order to improve the mechanical properties and surface biocompatibility of the alloy. During the nitriding step, care has been taken to install the shaped ingot in an enclosure and such that its arrangement allows the deposition of the layer in the gas phase over its entire surface, including in the concavities of the ingot shaped. To do this, the ingot is suspended by a chain in the heart of the enclosure constituting the oven. The first and second quenching aims to retain the beta phase at room temperature, to obtain the desired super elastic effect.

On réalise, selon la composition de l'alliage, soit une trempe à l'eau, soit une trempe à l'air. La phase d'homogénéisation est optionnelle en ce sens que, pour certaines compositions d'alliages, la phase de fusion peut conduire directement à l'obtention d'un lingot homogène. La phase d'homogénéisation est réalisée à une température supérieure à 900 °C. Par ailleurs, on sait que la température du « transus béta » est la température la plus basse à laquelle une phase 100 % « béta » de l'alliage puisse exister. Elle varie entre 600° C et 1050° C, en fonction de la composition de l'alliage. De préférence, la phase simultanée de remise en solution en phase beta et de nitruration (dans le cas où le gaz est de l'azote) est réalisée à une température comprise entre 600 et 1050 °C, de préférence entre 800°C et 1050°C, sous une atmosphère gazeuse, de préférence d'azote, pendant une durée de quelques heures, pour obtenir une couche superficielle de nitrure variant de quelques microns à quelques dizaines de microns d'épaisseur, selon l'usage envisagé. La durée de maintien à la température de recuit de la phase d'homogénéisation est comprise entre 12 heures et 20 heures, et de préférence de l'ordre de 16 heures. Depending on the composition of the alloy, a quenching with water or an air quenching is carried out. The homogenization phase is optional in that, for certain alloy compositions, the melting phase can lead directly to obtaining a homogeneous ingot. The homogenization phase is carried out at a temperature above 900 ° C. Furthermore, it is known that the "transus beta" temperature is the lowest temperature at which a 100% "beta" phase of the alloy can exist. It varies between 600 ° C and 1050 ° C, depending on the composition of the alloy. Preferably, the simultaneous phase of redissolution in beta phase and nitriding (in the case where the gas is nitrogen) is carried out at a temperature of between 600 and 1050 ° C., preferably between 800 ° C. and 1050 ° C. ° C, under a gaseous atmosphere, preferably nitrogen, for a period of a few hours, to obtain a nitride surface layer ranging from a few microns to tens of microns thick, depending on the intended use. The duration of maintenance at the annealing temperature of the homogenization phase is between 12 hours and 20 hours, and preferably of the order of 16 hours.

En variante, la couche de nitrure (ou tout autre type de couche) peut être réalisée par une technique du type : - plasma - implantation ionique - arc cathodique - laser - tout procédé PVD ou CVD. La technique employée ne doit pas modifier la microstructure beta métastable de l'alliage qui est à l'origine de l'effet super élastique. Alternatively, the nitride layer (or any other type of layer) can be made by a technique of the type: - plasma - ion implantation - cathode arc - laser - any PVD or CVD process. The technique employed must not modify the metastable beta microstructure of the alloy which is at the origin of the super elastic effect.

Avantageusement, la phase de nitruration est conjuguée avec une phase simultanée de recristallisation et conduit à l'obtention d'une microstructure beta recristallisée. Advantageously, the nitriding phase is conjugated with a simultaneous recrystallization phase and leads to obtaining a recrystallized beta microstructure.

L'invention concerne également d'une part un alliage tel qu'obtenu par la procédé ci-dessus, et d'autre part un dispositif à usage biomédical, incorporant ledit alliage. The invention also relates on the one hand to an alloy as obtained by the process above, and on the other hand to a device for biomedical use, incorporating said alloy.

Selon une forme préférée, l'alliage de l'invention comporte selon sa composition chimique en pourcentage atomique : - Titane : entre 30 % et 98 % - Niobium : entre 0 % et 40 % - Molybdène : entre 0 % et 15 % - Chrome : entre 0 % et 15 % - Fer : entre 0 % et 15 % - Zirconium : entre 0 % et 40 % - Hafnium : entre 0% et 40 % - Tantale : entre 0 % et 60 % - Oxygène : entre 0 % et 2 % - Azote : entre 0 % et 2 % - Silicium : entre 0 % et 2 % - Bore ; entre 0 % et 2 % - Carbone : entre 0 % et 2 % - Vanadium : entre 0% et 15 % - Tungstène : entre 0 % et 20 % - Aluminium entre 0 % et 10 % - Etain entre 0 % et 10 % - Gallium : entre 0 % et 10 %30 On mentionne ci-dessous quelques compositions de l'alliage de l'invention, données en pourcentage atomique : Ti74 Nb26 Ti72 Nb18 Taio Ti74 N b20 Zr6 Ti76 Nb23 N Ti78.5 Nb15 Zr2.5 Sn4 Ti73.1 Nb23 Ta0.7 Zr2 01.2 lo Ainsi, contrairement à l'art antérieur, l'alliage de l'invention ne comporte pas de nickel. L'invention sera bien comprise à la lumière de la description qui suit d'exemples illustratifs mais non limitatifs sur la base des dessins annexés 15 dans lesquels : - La figure 1 est une représentation graphique de la variation de la température en fonction du temps à laquelle est soumis le lingot d'alliage, selon les différentes étapes du procédé de l'invention. - La figure 2 est une micrographie obtenue par microscope optique, 20 montrant la microstructure beta métastable d'un exemple d'alliage Ti-25Ta-25Nb à coeur. - La figure 3 montre une coupe transversale, observée par microscopie optique, de la microstructure de la surface nitrurée de l'alliage de la figure 2. 25 - La figure 4 montre une courbe de traction uni-axiale cyclée (charge/décharge successifs) montrant le caractère super élastique de l'alliage nitruré par la formation d'hystérésis entre charge et décharge due à la transformation martensitique alpha" sous contrainte. - Les figures 5A et 5B montrent des micrographies obtenues par microscopie optique respectives d'un échantillon non nitruré (art antérieur) et nitruré (selon l'invention) après test de rayure par tribomètre pion-disque à charge et à nombres de cycles équivalents. L'invention est maintenant décrite en regard de la figure 1 qui montre une courbe schématique des variations de température d'un lingot incluant des différents composés, et destiné à constituer l'alliage, en fonction du temps, au regard des étapes successives du procédé de l'invention. Dans une étape préliminaire (non représentée sur la figure 1), on rassemble les différentes quantités de métaux qui rentreront dans la composition de l'alliage à réaliser, dans des proportions définies ci après. Le mélange de métaux est soumis à une opération de fusion préliminaire à une température comprise entre 2000 °C et 3000 °C. Avantageusement, cette étape préliminaire de fusion est réalisée en creuset froid par semi lévitation magnétique à l'aide d'un générateur à induction haute fréquence. On peut également utiliser des techniques de frittage, conventionnel ou rapide (flash). Il importe, lors de cette étape préliminaire, de s'assurer de réaliser un mélange homogène, sans aucune inclusion ni contamination ou pollution d'éléments étrangers. A cet égard, la fusion est réalisée de préférence sous vide ou sous atmosphère contrôlée avec un gaz neutre (tel que de l'argon par exemple). Les différents éléments susceptibles d'entrer dans la composition du lingot et donc du futur alliage incluent : - le titane, pour une grande partie ou une partie majoritaire - d'autres métaux : tantale, niobium, molybdène, zirconium, hafnium, vanadium, fer, chrome, tungstène qui constituent des éléments dits « beta-stabilisants », et éventuellement - encore d'autres éléments tels que : aluminium, silicium, bore, carbone, oxygène, azote, étain, gallium... qui, ajoutés en faible quantité, sont susceptibles d'améliorer les propriétés de super élasticité. According to a preferred form, the alloy of the invention comprises, according to its chemical composition in atomic percentage: - Titanium: between 30% and 98% - Niobium: between 0% and 40% - Molybdenum: between 0% and 15% - Chromium : between 0% and 15% - Iron: between 0% and 15% - Zirconium: between 0% and 40% - Hafnium: between 0% and 40% - Tantalum: between 0% and 60% - Oxygen: between 0% and 2% - Nitrogen: between 0% and 2% - Silicon: between 0% and 2% - Boron; between 0% and 2% - Carbon: between 0% and 2% - Vanadium: between 0% and 15% - Tungsten: between 0% and 20% - Aluminum between 0% and 10% - Tin between 0% and 10% - Gallium: between 0% and 10% The following are mentioned some compositions of the alloy of the invention, given in atomic percentage: Ti74 Nb26 Ti72 Nb18 Taio Ti74 Nb20 Zr6 Ti76 Nb23 N Ti78.5 Nb15 Zr2.5 Sn4 Thus, unlike the prior art, the alloy of the invention does not contain nickel. The invention will be better understood in the light of the following description of illustrative but nonlimiting examples on the basis of the appended drawings in which: FIG. 1 is a graphical representation of the variation of the temperature as a function of time at which is subjected to the alloy ingot, according to the different steps of the method of the invention. FIG. 2 is an optical microscope micrograph showing the metastable beta microstructure of an exemplary Ti-25Ta-25Nb alloy core. FIG. 3 shows a cross section, observed by optical microscopy, of the microstructure of the nitrided surface of the alloy of FIG. 2. FIG. 4 shows a cycled uniaxial traction curve (successive charge / discharge) showing the superelasticity of the nitrided alloy by the hysteresis formation between charge and discharge due to stress-induced martensitic transformation - Figures 5A and 5B show respective optical micrographs of a non-nitrided sample (prior art) and nitrided (according to the invention) after a pion-disk tribometer scratch test at load and with equivalent number of cycles The invention is now described with reference to FIG. 1 which shows a schematic curve of the variations of temperature of an ingot including different compounds, and intended to constitute the alloy, as a function of time, with regard to the successive steps of the process of the invention n) In a preliminary step (not shown in FIG. 1), the various quantities of metals which will be included in the composition of the alloy to be produced are collected in proportions defined below. The metal mixture is subjected to a preliminary melting operation at a temperature of between 2000 ° C and 3000 ° C. Advantageously, this preliminary melting step is carried out in a cold crucible by semi magnetic levitation using a high frequency induction generator. It is also possible to use sintering techniques, conventional or fast (flash). During this preliminary step, it is important to ensure a homogeneous mixture, without any inclusion or contamination or pollution of foreign elements. In this respect, the melting is preferably carried out under vacuum or in a controlled atmosphere with a neutral gas (such as argon for example). The various elements likely to enter the composition of the ingot and thus the future alloy include: - titanium, for a large part or a majority part - other metals: tantalum, niobium, molybdenum, zirconium, hafnium, vanadium, iron , chromium, tungsten which constitute elements called "beta-stabilizers", and possibly - still other elements such as: aluminum, silicon, boron, carbon, oxygen, nitrogen, tin, gallium ... which, added in small quantities , are likely to improve the properties of super elasticity.

Les différents composants sont choisis en termes qualitatif et quantitatif en vue de réaliser un alliage du type beta métastable par trempe, et permettant la formation d'une phase martensitique alpha", qui soit réversible, et procurant ainsi des propriétés super élastiques et/ou à mémoire de forme. The various components are chosen in qualitative and quantitative terms in order to achieve a metastable beta-type alloy by quenching, and allowing the formation of a martensitic phase alpha ", which is reversible, and thus providing super elastic properties and / or shape memory.

Le caractère « beta-métastable » de l'alliage se traduit par un faible module d'élasticité apparent variant de 10 GPa à 70 GPa se rapprochant de celui de l'os. The "beta-metastable" character of the alloy results in a low apparent modulus of elasticity ranging from 10 GPa to 70 GPa approaching that of the bone.

A partir du lingot fusionné, obtenu par l'étape préliminaire de fusion mentionnée ci-dessus, la seconde étape consiste en un « recuit d'homogénéisation » effectuée à haute température (typiquement entre 900 °C et 1200 °C) sous ultra vide. From the fused ingot, obtained by the preliminary melting step mentioned above, the second step consists of a "homogenization annealing" carried out at high temperature (typically between 900 ° C. and 1200 ° C.) under ultra-high vacuum.

A noter que sur le graphique de la figure 1, l'échelle de temps (abscisse) n'est pas respectée, pour des raisons pratiques. Le lingot est maintenu à la température dite de recuit pendant une durée qui peut être de plusieurs heures. La température et la durée du traitement dépendent de l'alliage considéré. Au final, un alliage complètement homogène doit être obtenu. La phase de recuit d'homogénéisation s'achève par une première trempe, de préférence par une trempe à l'eau, de manière à retenir une microstructure « beta » métastable à la température ambiante qui favorisera les opérations de mise en forme. La trempe est réalisée en une fraction de seconde par chute du lingot depuis la température de recuit dans un bac d'eau à température ambiante. Note that on the graph of Figure 1, the time scale (abscissa) is not respected, for practical reasons. The ingot is maintained at the so-called annealing temperature for a period that may be several hours. The temperature and the duration of the treatment depend on the alloy considered. In the end, a completely homogeneous alloy must be obtained. The homogenization annealing phase is completed by a first quenching, preferably by quenching with water, so as to retain a metastable "beta" microstructure at room temperature which will favor the shaping operations. The quenching is carried out in a fraction of a second by dropping the ingot from the annealing temperature into a tray of water at room temperature.

Ensuite, on réalise les opérations de mise en forme et d'usinage, à froid, c'est-à-dire à température ambiante. Cette étape vise à conformer le lingot selon la forme du dispositif ou élément souhaité, pour une application biomédicale telle que mentionnée ci-dessus. Then, we perform the operations of shaping and machining, cold, that is to say at room temperature. This step aims at conforming the ingot according to the shape of the desired device or element, for a biomedical application as mentioned above.

L'opération de mise en forme est adaptée bien entendu à la configuration et la forme du produit à réaliser et fait appel à des techniques connues d'usinage, ou de mise en forme telle que tréfilage, laminage, extrusion ou autre. The shaping operation is of course adapted to the configuration and shape of the product to be produced and uses known machining techniques, or shaping such as drawing, rolling, extrusion or other.

Le dispositif biomédical ainsi fabriqué, constitué de l'alliage souhaité, est alors soumis à un traitement thermique de remise en solution au dessus de la température T p qui est la température de transus beta typiquement entre 600 °C et 1050 °C. The biomedical device thus manufactured, consisting of the desired alloy, is then subjected to a heat-treatment solution in solution above the temperature T p which is the transus temperature typically between 600 ° C and 1050 ° C.

Le dispositif est maintenu à cette température pendant une durée de quelques dizaines de minutes à quelques heures, et ce, sous atmosphère gazeuse tel que de l'azote par exemple. L'appareil utilisé est un four connu en lui-même. The device is maintained at this temperature for a duration of a few tens of minutes to a few hours, and this, under gaseous atmosphere such as nitrogen for example. The apparatus used is an oven known in itself.

Ce traitement mené à température constante, vise deux objectifs : 2 9826 18 12 - l'obtention d'une microstructure « beta recristallisée » présentant une taille de grain affinée afin d'améliorer et optimiser les propriétés mécaniques du dispositif biomédical final ; - le dépôt, lors de son séjour dans le four, d'une couche de nitrure en 5 surface sur le dispositif, par la réaction directe à chaud, entre l'alliage constitutif du dispositif, et l'azote gazeux introduit dans le four de trempe. Ce traitement constitue un processus de nitruration en phase gazeuse. La durée de cette étape de nitruration varie entre 0, 5 et 10 heures en fonction des compositions de l'alliage, des épaisseurs 10 souhaitées et de la forme du dispositif. La température maintenue durant cette étape de nitruration est comprise entre 600 et 1050°C. Enfin, à l'issu de la phase de nitruration / recristallisation, on réalise une seconde trempe, de préférence une trempe à l'eau, qui ramène la 15 température du dispositif à la température ambiante. Cette seconde trempe permet de maintenir la microstructure beta de l'alliage sous une forme métastable. Le demandeur a réalisé des essais en laboratoire sur des échantillons 20 d'alliage réalisé selon le procédé de l'invention décrit ci-dessus. L'alliage en question est super élastique du type beta-métastable recristallisé, avec une taille de grain comprise entre 10 et 60 microns (voir la microstructure beta du coeur de l'alliage en figure 2). Sa composition, exprimée en pourcentage massique est : Ti (50%), Ta (25%) et Nb (25%). La phase de 25 recristallisation-nitruration avait été effectuée à 800°C pendant une durée de 3 heures et a conduit à une couche de nitrure de titane de quelques dizaines de microns d'épaisseur. La microstructure du nitrure en surface est montrée en coupe transversale sur la figure 3, où les parties sombres correspondent à la zone nitrurée constituée d'aiguilles riches en azote 30 (nitruration interne). This treatment conducted at constant temperature, has two objectives: 2 9826 18 12 - obtaining a "recrystallized beta" microstructure having a refined grain size in order to improve and optimize the mechanical properties of the final biomedical device; the deposit, during its stay in the oven, of a nitride layer on the surface of the device, by the direct hot reaction, between the alloy constituting the device, and the nitrogen gas introduced into the furnace; tempering. This treatment is a nitriding process in the gas phase. The duration of this nitriding step varies between 0.5 and 10 hours depending on the alloy compositions, desired thicknesses and the shape of the device. The temperature maintained during this nitriding step is between 600 and 1050 ° C. Finally, at the end of the nitriding / recrystallization phase, a second quenching, preferably quenching with water, is carried out, which brings the temperature of the device to room temperature. This second quenching makes it possible to maintain the beta microstructure of the alloy in a metastable form. The Applicant has performed laboratory tests on alloy samples made according to the method of the invention described above. The alloy in question is super-elastic of the recrystallized beta-metastable type, with a grain size of between 10 and 60 microns (see the beta microstructure of the core of the alloy in FIG. 2). Its composition, expressed as mass percentage is: Ti (50%), Ta (25%) and Nb (25%). The recrystallization-nitriding phase was carried out at 800 ° C. for a period of 3 hours and led to a titanium nitride layer a few tens of microns thick. The microstructure of the surface nitride is shown in cross-section in Figure 3, where the dark portions correspond to the nitride zone consisting of nitrogen-rich needles (internal nitriding).

La couche de nitrure de faible épaisseur n'altère pas les propriétés super élastiques de l'alliage ainsi obtenu. La figure 4 montre la courbe de traction cyclée concernant l'alliage nitruré qui montre la présence d'hystérésis charge/décharge caractéristiques de l'effet super élastique. L'essai de traction cyclé présenté sur cette figure a été mené sur une éprouvette plate d'un millimètre d'épaisseur obtenu par le présent procédé de fabrication. Les cycles charge/décharge ont été effectués avec une incrémentation de 0.5% en déformation. The thin nitride layer does not alter the super elastic properties of the alloy thus obtained. Figure 4 shows the cyclic tensile curve for the nitrided alloy which shows the presence of charge / discharge hysteresis characteristic of the superelastic effect. The cycled tensile test presented in this figure was conducted on a flat test-tube one millimeter thick obtained by the present method of manufacture. The charge / discharge cycles were carried out with an incrementation of 0.5% in deformation.

Un alliage nitruré réalisé par le procédé de l'invention, présente par rapport à un alliage de même composition, non nitruré, une augmentation de la dureté superficielle (mesuré 4 fois supérieure par micro dureté Vickers), ce qui entraine une très forte augmentation de la résistance à l'usure (volume usé réduit de 85%) ainsi qu'une nette diminution du coefficient de friction (divisée par 5). Les figures 5A et 5B montrent chacune une vue de dessus d'un échantillon d'alliage ayant subi un test de rayure, respectivement non nitruré (5A - art antérieur) et nitruré (5B selon l'invention). Les sillons (de couleur foncée) sont obtenus sous charge de 25g après 200 cycles en rotation à l'aide d'un tribomètre pion- disque. On constate que l'alliage selon l'invention (figure 5B) présente une résistance bien supérieure en surface. La phase de nitruration réalisée en phase gazeuse comme décrit ci-25 dessus présente de nombreux avantages par rapport aux techniques de nitruration connues. - Le dépôt d'une couche de nitrure d'épaisseur sensiblement homogène, même sur des objets de forme complexe, comme le sont d'ailleurs dans la plupart des cas les dispositifs à usage biomédical ; 30 - Grande simplicité de mise en oeuvre ; - La nitruration (c'est-à-dire le dépôt d'un nitrure) est réalisée de manière simultanée à la recristallisation de l'alliage lors de la mise en solution ; ceci n'est pas possible par les autres méthodes de nitruration qui suppose de n'effectuer celles-ci qu'après recristallisation sous vide. - Une très bonne adhérence de la couche sur l'alliage par formation de nitruration interne près de la surface. De plus, la seconde trempe du procédé de l'invention, qui suit l'étape simultanée de nitruration/recristallisation, présente l'avantage de maintenir la microstructure beta métastable au coeur de l'alliage, pour obtenir l'effet super élastique. L'invention n'est pas limitée au dépôt de nitrure, mais inclut également le dépôt de couche superficielle d'oxyde, d'oxynitrure, ou de carbonitrure. A nitrided alloy produced by the process of the invention has, compared with an alloy of the same composition, non-nitrided, an increase in the surface hardness (measured 4 times higher by micro hardness Vickers), which causes a very strong increase in the wear resistance (used volume reduced by 85%) as well as a clear reduction in the coefficient of friction (divided by 5). Figures 5A and 5B each show a top view of a sample of alloy having undergone a scratch test respectively nitride (5A - prior art) and nitride (5B according to the invention). The furrows (dark in color) are obtained under load of 25g after 200 cycles in rotation using a pin-to-disk tribometer. It is found that the alloy according to the invention (FIG. 5B) has a much higher surface resistance. The nitriding phase performed in the gas phase as described above has many advantages over known nitriding techniques. The deposition of a nitride layer of substantially homogeneous thickness, even on objects of complex shape, as are in most cases also devices for biomedical use; 30 - Great simplicity of implementation; Nitriding (that is to say the deposition of a nitride) is carried out simultaneously to the recrystallization of the alloy during the dissolution; this is not possible by the other nitriding methods which supposes to carry out these only after recrystallization under vacuum. - A very good adhesion of the layer on the alloy by formation of internal nitriding near the surface. In addition, the second quenching of the process of the invention, which follows the simultaneous nitriding / recrystallization step, has the advantage of maintaining the metastable beta microstructure in the core of the alloy, to obtain the super elastic effect. The invention is not limited to the deposition of nitride, but also includes the deposition of surface layer of oxide, oxynitride, or carbonitride.

Dans ce cas, on utilise un gaz ou un mélange de gaz adapté, en l'occurrence de l'oxygène pour une couche d'oxyde, ou en ajoutant du dioxyde de carbone, du monoxyde d'azote ou même de l'air pour l'obtention d'oxynitrure, ou de carbonitrure en surface. In this case, a suitable gas or gas mixture is used, in this case oxygen for an oxide layer, or by adding carbon dioxide, nitrogen monoxide or even air to obtaining oxynitride or carbonitride on the surface.

L'alliage réalisée selon le procédé de l'invention, et selon les compositions indiquées, présente des avantages suivant par rapport aux alliages du type titane/nickel et notamment une capacité à la déformation à froid très importante, et aptitude à l'usinage supérieure, ces deux avantages étant particulièrement appréciés dans le cas de dispositifs à application biomédicale. A titre d'exemple, les limes endodontiques présentent dans l'art antérieur une usure relativement importante et des risques de fractures non négligeables causées par les stries d'usinage. En outre, la capacité de coupe de l'alliage selon l'invention est plus importante que celle des alliages de l'art antérieur. La couche de nitrure améliore les propriétés de dureté et de résistance à l'usure, tout en procurant des effets bénéfiques sur le plan de la biocompatibilité. Dans les dispositifs d'application cardio-vasculaires, tels que des stents, on observe, pour ce qui est de l'alliage de l'invention, une meilleure hémocompatibilité. Enfin, le dispositif biomédical ainsi réalisé résiste mieux aux opérations de stérilisation et est moins sensible à l'activité bactériologique grâce à la présence de la couche de nitruration. En résumé, le procédé selon l'invention permet de fabriquer un alliage à base de titane pour application biomédicale, qui présente des propriétés super élastiques et/ou à mémoire de forme, avec tous les avantages qui en découlent et exprimés ci-dessus, et en outre ces propriétés étant pour certaines d'entre elles renforcées par la couche de nitrure, qui elle-même apporte d'autres capacités ou propriétés mécaniques, et enfin cette dernière renforce ou améliore la biocompatibilité du dispositif à usage biomédical. The alloy made according to the process of the invention, and according to the compositions indicated, has advantages according to the alloys of the titanium / nickel type and in particular a very high capacity to cold deformation, and superior machinability these two advantages being particularly appreciated in the case of devices with biomedical application. For example, endodontic files have in the prior art relatively high wear and significant risk of fractures caused by machining streaks. In addition, the cutting capacity of the alloy according to the invention is greater than that of the alloys of the prior art. The nitride layer enhances the hardness and wear resistance properties while providing biocompatibility benefits. In the cardiovascular application devices, such as stents, there is observed, as regards the alloy of the invention, a better haemocompatibility. Finally, the biomedical device thus produced is more resistant to sterilization operations and is less sensitive to bacteriological activity thanks to the presence of the nitriding layer. In summary, the process according to the invention makes it possible to manufacture a titanium-based alloy for biomedical application, which has super elastic and / or shape memory properties, with all the advantages that derive from it and expressed above, and in addition, these properties are for some of them reinforced by the nitride layer, which itself provides other capabilities or mechanical properties, and finally the latter enhances or improves the biocompatibility of the device for biomedical use.

Claims (11)

REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'un alliage à base de titane à propriétés super élastique et/ ou à mémoire de forme pour application biomédicale, du type comportant les phases de : - préparation par fusion sous vide des différents métaux constitutifs de l'alliage souhaité, pour réaliser un lingot; - optionnellement homogénéisation sous vide du lingot par recuit à une première température, notamment supérieure à 900°C, consistant en une montée en température du lingot, d'un maintien à cette température pendant une durée permettant l'homogénéisation complète - première trempe ; - mise en forme mécanique telle que par laminage, tréfilage, usinage, ou équivalent ; - traitement thermique de remise en solution en phase beta au delà du transus beta consistant en une montée en température jusqu'à une seconde température désirée, d'un maintien à cette température pour une certaine durée - seconde trempe ; caractérisé en ce que ladite phase de traitement thermique est réalisée sous atmosphère gazeuse, et constitue également une phase dite de nitruration, réalisant un traitement de surface par réaction avec ledit gaz, de manière à former de manière homogène en surface, une couche de nitrure, carbonitrure, oxyde, oxynitrure, ou équivalent. REVENDICATIONS1. A method of manufacturing a titanium alloy with super elastic properties and / or shape memory for biomedical application, of the type comprising the phases of: - preparation by vacuum melting of the various constituent metals of the desired alloy, for make an ingot; - optionally vacuum homogenization of the ingot by annealing at a first temperature, especially greater than 900 ° C, consisting of a temperature rise of the ingot, a maintenance at this temperature for a period for complete homogenization - first quenching; mechanical shaping such as by rolling, wire drawing, machining, or the like; - Thermal treatment of beta solution in solution beyond the transus beta consisting of a rise in temperature to a desired second temperature, a maintenance at this temperature for a certain duration - second quenching; characterized in that said heat treatment phase is carried out under a gaseous atmosphere, and also constitutes a so-called nitriding phase, performing a surface treatment by reaction with said gas, so as to form a nitride layer uniformly at the surface, carbonitride, oxide, oxynitride, or the like. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la phase de nitruration est réalisée à la seconde température comprise entre 600 et 1050°C, de préférence entre 800°C et 1050 °C.30 2. Method according to claim 1, characterized in that the nitriding phase is carried out at the second temperature between 600 and 1050 ° C, preferably between 800 ° C and 1050 ° C.30. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la phase de nitruration est réalisée sous atmosphère d'azote. 3. Method according to claim 1 or 2, characterized in that the nitriding phase is carried out under a nitrogen atmosphere. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la durée de maintien à la température de recuit de la phase d'homogénéisation est comprise entre 12 heures et 20 heures, et de préférence de l'ordre de 16 heures. 4. Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the duration of maintenance at the annealing temperature of the homogenization phase is between 12 hours and 20 hours, and preferably of the order of 16 hours. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la phase de nitruration en phase gazeuse est réalisée par plasma, implantation ionique, arc cathodique, laser, ou procédé PVD ou CVD. 5. Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the gas phase nitriding phase is carried out by plasma, ion implantation, cathode arc, laser, or PVD or CVD process. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la phase de nitruration est conjuguée avec une phase simultanée de recristallisation. 6. Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the nitriding phase is conjugated with a simultaneous recrystallization phase. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la phase d'homogénéisation est réalisée à une température supérieure 900 ° C. 7. Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the homogenization phase is carried out at a temperature above 900 ° C. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la première et la seconde trempes sont réalisées sous forme de trempes à l'eau ou à l'air. 8. Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that the first and second quenching are performed in the form of quenching with water or air. 9. Alliage réalisé par le procédé selon l'une des revendications précédentes. 9. Alloy made by the process according to one of the preceding claims. 10. Alliage selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comporte selon sa composition chimique en pourcentage atomique: - Titane : entre 30 % et 98 %- Niobium : entre 0 % et 40 % - Molybdène : entre 0 % et 15 % - Chrome : entre 0 % et 15 % - Fer : entre 0 % et 15 % - Zirconium : entre 0 % et 40 % - Hafnium : entre 0% et 40 % - Tantale : entre 0 % et 60 % - Oxygène : entre 0 % et 2 % - Azote : entre 0 % et 2 % - Silicium : entre 0 % et 2 % - Bore ; entre 0 % et 2 % - Carbone : entre 0 % et 2 % - Vanadium : entre 0 % et 15 % - Tungstène : entre 0 % et 20 % - Aluminium entre 0 % et 10 % - Etain entre 0 % et 10 % - Gallium : entre 0 % et 10 % 10. Alloy according to the preceding claim, characterized in that it comprises according to its chemical composition in atomic percentage: - Titanium: between 30% and 98% - Niobium: between 0% and 40% - Molybdenum: between 0% and 15% - Chromium: between 0% and 15% - Iron: between 0% and 15% - Zirconium: between 0% and 40% - Hafnium: between 0% and 40% - Tantalum: between 0% and 60% - Oxygen: between 0 % and 2% - Nitrogen: between 0% and 2% - Silicon: between 0% and 2% - Boron; between 0% and 2% - Carbon: between 0% and 2% - Vanadium: between 0% and 15% - Tungsten: between 0% and 20% - Aluminum between 0% and 10% - Tin between 0% and 10% - Gallium: between 0% and 10% 11. Dispositif à usage biomédical, incorporant ou constitué de l'alliage selon la revendication 9 ou 10. 11. Device for biomedical use, incorporating or consisting of the alloy according to claim 9 or 10.
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